可持續(xù)性視角下模塊化策略在建筑設(shè)計中的應(yīng)用

李久太

摘要 針對如何保障建筑硬件資源的持續(xù)活力，提出模塊化策略在“時間”和“空間”雙重維度上的可持續(xù)性效應(yīng)，進而探討模塊化策略在建筑可持續(xù)性設(shè)計中的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞 可持續(xù) 模塊化 設(shè)計策略

0 前言

建筑生產(chǎn)活動中，在有限資源的前提下爭取持久發(fā)展勢在必行，因為建筑生產(chǎn)活動要耗費大量的人力、物力，一旦出現(xiàn)問題就會造成建筑的閑置和資源的浪費。此外，當(dāng)舊建筑無法適應(yīng)新時代的使用需求時也會遭遇閑置。模塊化策略作為一種成熟的設(shè)計和生產(chǎn)方法，已在制造業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，諸多建筑師也探討了如何應(yīng)用其引領(lǐng)建筑生產(chǎn)使之適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)體系。模塊化設(shè)計中利用拆分與組合的方式來整合多功能、多需求的思想體現(xiàn)了可持續(xù)的理念，將其應(yīng)用于建筑設(shè)計中會成為有效解決“存量建筑”問題的一種可能途徑。

1 模塊化相關(guān)概念簡介

1.1 模塊

模塊（module）的概念起源于20世紀(jì)初德國的工業(yè)生產(chǎn)，20世紀(jì)中葉被廣泛接受和認(rèn)同，進而發(fā)展出相關(guān)的一系列理論。至今關(guān)于模塊較為普遍的的定義是：“模塊，是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的、通用的獨立單元?！?/p>

1.2 模塊化

哈佛大學(xué)教授Baldwin和Clark將“模塊化”的核心概括為“將相對小的、可以獨立進行功能設(shè)計的系統(tǒng)組建成一個復(fù)雜產(chǎn)品或流程”的過程。由此可見，“模塊化”是運用系統(tǒng)論的觀點，針對復(fù)雜問題拆解成若干子系統(tǒng)后，再針對子系統(tǒng)分別進行操作的系統(tǒng)理論。“模塊化”包括“模塊分解化”與“模塊集中化”兩個過程。

1.3 建筑模塊化

建筑模塊化，是指運用模塊化的策略來進行建筑設(shè)計和生產(chǎn)的方法。具體來說，就是將建筑這一復(fù)合了多專業(yè)的復(fù)雜整體拆分為具有一定標(biāo)準(zhǔn)性和功能性的模塊，以模塊為單元進行設(shè)計和生產(chǎn)，進而通過模塊單元的組合和拼接最終完成建筑整體生產(chǎn)的過程。

2 建筑模塊化的四項可持續(xù)性原則

（1）模塊化策略的核心在于通過設(shè)置模塊這一中間層次將整個過程化繁為簡，以達到有效縮短建筑工程設(shè)計和建造周期的目標(biāo)，這是對社會資源的集約利用，體現(xiàn)了資源保護原則。

（2）模塊具備三大體系特征，即獨立性、互換性和通用性。作為構(gòu)建整個系統(tǒng)的單個部件，建筑模塊應(yīng)具有獨立編輯、即時更新、拆分后重新組裝和替換的多種可能性。模塊化建筑有利于建筑材料的循環(huán)利用，體現(xiàn)了資源再利用的原則。

（3）一旦模塊化建筑的部件作為一種標(biāo)準(zhǔn)化形式得到廣泛應(yīng)用，不僅完善了建筑的全生命周期，還能夠?qū)⒔ㄖa(chǎn)對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響降到最低，體現(xiàn)了保護自然原則。

（4）模塊化建筑的生產(chǎn)方式能將工廠化預(yù)制生產(chǎn)引入建筑生產(chǎn)流程，利用模塊化的建筑方式提升建筑的質(zhì)量和品質(zhì)，延長建筑使用壽命和建筑的全生命周期，從而減少建筑在單位時間內(nèi)的平均消耗，具有可持續(xù)性的意義，體現(xiàn)了質(zhì)量原則。

3 建筑模塊化應(yīng)用方法的可持續(xù)性原則體現(xiàn)

總體來說，模塊化的本質(zhì)就在于模塊的分解和組合，建筑模塊化的應(yīng)用方法主要分為兩個階段：首先，需要根據(jù)一定的市場需要和設(shè)計目的來確定模塊劃分的規(guī)則；然后，將劃分好的模塊按照一定的組織方法組合成一個整體（圖1）。但因會受建筑行業(yè)自身特點的影響，而在具體的應(yīng)用方法上產(chǎn)生一些特殊性，以下討論其應(yīng)用方法的各個階段對可持續(xù)性原則的表達和體現(xiàn)。

3.1 建筑模塊的劃分

3.1.1 以使用功能為基礎(chǔ)

功能是建筑的基本屬性，在模塊化建筑中應(yīng)用功能規(guī)律是模塊劃分的主要考慮原則，多見于模塊化住宅的設(shè)計中。以日本建筑師黑川紀(jì)章設(shè)計的東京中銀艙體大廈為例，建筑師根據(jù)功能將家具以及設(shè)備模塊化，通過它們的組合構(gòu)成一個2.3mx3.8mx2.1m的居住模塊，再通過這些居住模塊的穿插組合構(gòu)成整棟建筑（圖2-4）。

以使用功能為基礎(chǔ)進行模塊化劃分的可持續(xù)性意義在于一個特定模塊可以對應(yīng)特定的使用功能，能夠獨立地實現(xiàn)這一功能所需的使用空間及所需建筑設(shè)備的安裝。一個整體建筑只是一些功能模塊的臨時組合，當(dāng)建筑地塊更換功能需求或其他建筑需要增補某些特定功能模塊時，只需要對特定模塊進行定向的更換或增減即可，有效提高了建筑材料的使用效率，減少了傳統(tǒng)工程體系中繁多建筑材料的現(xiàn)場操作，實現(xiàn)了簡化施工過程的目標(biāo)。

3.1.2 以設(shè)計目的為核心

除以功能使用作為劃分模塊的準(zhǔn)則方法外，建筑模塊化還需貫徹設(shè)計目的。功能不是唯一的考慮因素，造型、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備甚至是根源于建筑本體之外的內(nèi)容（如文化、思想、傳統(tǒng)等）都會成為構(gòu)建設(shè)計的出發(fā)點。因而，在建筑中應(yīng)用模塊化策略需首要考慮設(shè)計的出發(fā)點，同時兼顧功能和表達建筑設(shè)計本體思想。

以筆者參與的清華大學(xué)“O-HOuse太陽能實驗住宅”項目為例，該設(shè)計側(cè)重于考慮建筑模塊的實驗性概念和在極其有限的工期（15天）內(nèi)完成建筑的施工。為了更加快速、集約地解決交接問題，將設(shè)計核心鎖定在管線最集中的廚房和衛(wèi)生間（圖5）。該設(shè)計設(shè)想了1600mmx3300mm的餐廚模塊、起居模塊、臥室模塊和1600mm x l100mm的設(shè)備模塊。所有水暖電設(shè)備集中于設(shè)備模塊中，其他管線少的模塊（如餐廚、起居和臥室模塊）的墻面、樓面、屋面和管線等隱蔽工程通過標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)留節(jié)點和標(biāo)準(zhǔn)化接口實現(xiàn)模塊之間的快速連接。建筑模塊在建成后進行了兩輪的拼裝和拆解，均在很短的施工時間內(nèi)完成，驗證了建筑模塊化的快速拼裝性能和可更換性。該設(shè)計以極短施工工期為設(shè)計目標(biāo)，最大程度地降低施工過程對周邊建設(shè)環(huán)境和大氣、噪聲等環(huán)境的影響，體現(xiàn)了環(huán)境友好的思想。短工期的施工實踐為模塊化建筑在建成后模塊的替換和增減提供了具有說服力的實踐依據(jù)和技術(shù)手段，同時也證明了模塊化建筑快速建造的實踐可行性。

3.2 建筑模塊的組合

3.2.1 空間關(guān)系

建筑建造的過程在某種程度上講就是空間營造的過程，對于模塊化建筑也是如此。模塊之間的組合影響著建筑建成后的空間效果，因此組合模塊的過程首先要考慮模塊與模塊之間的空間關(guān)系。

抽象地說，模塊之間的關(guān)系有相切、相交和相離三種。決定模塊空間關(guān)系組織的因素是多方面的，可以基于景觀朝向，也可以迎合功能需求，還可以為了建造需要等。一個好的模塊化建筑設(shè)計方案的空間關(guān)系也應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出可持續(xù)性原則，例如合理的排布規(guī)律可以提高建筑的功能與能源使用效率，和諧的體量關(guān)系可以降低能耗。模塊化建筑的單體模塊具有一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化，其空間關(guān)系往往具有很強的韻律。以加拿大蒙特利爾Habitat 67項目為例，建筑師薩夫迪利用354個模塊盒子構(gòu)成158個單元，每個單元從56㎡的一居室到167㎡的四居室不等。這些單元的構(gòu)成方式不僅造就了參差錯落的建筑形態(tài)，而且每戶都有花園和陽臺，兼顧了隱私與采光的需求。為了達到以上的目標(biāo)，設(shè)計師運用了15種模塊組織方式構(gòu)成居住單元，它們是由最基本的橫、豎兩種長方體模塊組合而成（圖6-8）。

3.2.2 交接設(shè)計

在“模塊化”理論中，“接口、功能、邏輯、功能”是模塊的四大屬性，而“接口”是需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。建筑模塊之間的交接涉及了諸多建筑的物質(zhì)性因素，需綜合結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等多方面考慮。

傳統(tǒng)的模塊化住宅體系中，結(jié)構(gòu)、水、暖、電等都需要合理的連接。在O-House案例中，我們對模塊之間的連接方式做出了系統(tǒng)性探討，梳理并總結(jié)了原有連接方式，此外針對原有連接方式進行了改良，使得結(jié)構(gòu)、水、暖、電也能夠預(yù)制生產(chǎn)。具體連接手段如表1所示。

4 模塊化建筑的應(yīng)用前景展望

在建筑領(lǐng)域，模塊化策略發(fā)展至今已經(jīng)在住宅、集裝箱建筑等領(lǐng)域發(fā)展成為架構(gòu)建筑設(shè)計的主要思路；作為一種應(yīng)對建筑設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)化和多樣性問題的重要手段，模塊化策略也常被應(yīng)用在完整的設(shè)計框架下的某一個部分，以解決復(fù)雜性建筑的一些問題。結(jié)合其他領(lǐng)域中模塊化策略發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，將模塊化建筑的應(yīng)用前景分為以下幾類。

4.1 集成式模塊化設(shè)計

集成式模塊化設(shè)計是指通過層級化的模塊策略，用大型模塊來集成小型模塊，從而達到綜合部件和獲得功能多樣化的目的，例如產(chǎn)品領(lǐng)域的瑞士軍刀?，F(xiàn)今絕大多數(shù)的模塊化建筑均運用集成式模塊的設(shè)計思路，如上文已提及的O-House太陽能住宅等，該類型的模塊化設(shè)計先按照功能劃分好模塊，再針對劃分好的模塊進行設(shè)計和整合，簡化了建筑的設(shè)計和建造環(huán)節(jié)，提高了生產(chǎn)效率，并且降低了成本。

4.2 系列式模塊化設(shè)計

系列式模塊化設(shè)計是在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的框架體系下尋求產(chǎn)品多樣性的設(shè)計策略。它主要針對某一類產(chǎn)品，先對其進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再調(diào)試其產(chǎn)品參數(shù)、尺寸、功能、形式等，獲得橫向和縱向擴展的可能性，通過標(biāo)準(zhǔn)化的方式來獲得多樣化和個性化的部品。這一方式是在標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，在不影響其可持續(xù)性的各種優(yōu)勢的前提下，對建筑模塊進行個性化的擴展，是對集成式模塊化設(shè)計的提升。例如，丹麥BIG建筑事務(wù)所的“VM”住宅項目體現(xiàn)了這種模塊化設(shè)計的思想。設(shè)計師采用了“V”和“M”的建筑總平面。V形結(jié)構(gòu)的114套房間和M形結(jié)構(gòu)的95套房間分別包括40種不同戶型，以獲得更好的景觀朝向、日照和通風(fēng)。應(yīng)用簡單的方式使現(xiàn)代化住宅收獲多樣性和個性，貫徹了設(shè)計師營造多樣化住宅空間的初衷（圖9—11）。

4.3 典型模塊化設(shè)計

將產(chǎn)品整體精煉成典型模塊，通過簡化模塊內(nèi)部和模塊間的差異消除多余的功能，從而使模塊具有更好的構(gòu)成與互換模式，其優(yōu)勢主要由模塊的替換來實現(xiàn)：一方面，使用者可以根據(jù)需要來選擇性地擴展產(chǎn)品的功能；另一方面，使用者不必丟棄整個產(chǎn)品而只需選擇更換相應(yīng)的模塊來實現(xiàn)更新。

在O-House項目的家具墻模塊中，兩側(cè)的家具以低于建筑模塊的標(biāo)準(zhǔn)模塊層級存在，即在建筑模塊之下，仍具有細(xì)分模塊，可以直接進行細(xì)分模塊的替換和增減，避免因單個建筑模塊的局部調(diào)整而導(dǎo)致整體建筑模塊的更換，避免不必要的浪費，也降低了施工難度。這一設(shè)計思路更加明確地體現(xiàn)出模塊化的思想在各個層級的可持續(xù)性設(shè)計，靈活性更強。

5 結(jié)語

建筑行業(yè)經(jīng)歷了多年粗放型的發(fā)展后，逐漸轉(zhuǎn)向可持續(xù)、高效利用建筑生產(chǎn)和節(jié)約資源的道路。模塊化設(shè)計策略在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用既能有效節(jié)約建筑資源，又能保持建筑空間的持續(xù)活力，但模塊化建筑要滿足實際的功能需求，符合相應(yīng)的社會文化形態(tài)，適應(yīng)物質(zhì)建造手段，才能不斷發(fā)展、蓬勃壯大。